生命起源于“静止的地幔”，而不是板块构造

罗彻斯特大学利用锆石晶体进行的一项研究发现，在地球上首次出现生命的时期，地壳板块并不活跃。 相反，“停滞帽”机制正在运行，通过表面裂缝释放热量。 这一发现挑战了板块构造对于生命起源至关重要的传统观念，并有可能重塑我们对其他行星上生命所需条件的理解。

科学家们回到过去，利用称为锆石的微小矿物晶体来研究数十亿年前的板块构造，以揭开地球早期历史的奥秘。 这项研究揭示了早期地球存在的条件，揭示了地壳、地核和生命出现之间复杂的相互作用。

板块构造允许地球内部的热量逃逸到地表，形成大陆和生命出现所需的其他地质特征。 因此，“有一种假设认为板块构造对于生命至关重要，”罗切斯特大学地球与环境科学系教授约翰·塔尔杜诺说。 但新的研究对这一假设提出了质疑。

Tarduno，威廉·R·塔尔杜诺地球物理学教授 Keenan Jr.，他是该杂志上发表的一篇论文的主要作者。 自然 研究 39 亿年前的板块构造，当时科学家相信地球上出现了第一个生命痕迹。 研究人员发现，在此期间没有发生移动构造板块运动。 相反，他们发现，地球通过所谓的停滞地幔系统释放热量。 研究结果表明，虽然板块构造是地球生命延续​​的关键因素，但它并不是类地行星上出现生命的条件。

塔尔杜诺说：“我们发现，当生命最初被认为出现时，并不存在板块构造，而此后的数亿年里，也不存在板块构造。” “我们的数据表明，当我们寻找蕴藏生命的系外行星时，行星不一定需要板块构造。”

锆石研究的意外转变

研究人员最初并没有打算研究板块构造。

“我们研究锆石的磁化强度是因为我们研究地球磁场，”塔杜诺说。

锆石是微小的晶体，含有磁性颗粒，可以捕获锆石形成时地球的磁化强度。 通过对锆石进行年代测定，研究人员可以创建一个时间线来追踪地球磁场的演变。

地球磁场的强度和方向根据纬度而变化。 例如，当前磁场在两极较强，在赤道较弱。 有了有关锆石磁性的信息，科学家就可以推断出锆石形成的相对纬度。 也就是说，如果地球发电机（产生磁场的过程）的效率恒定并且磁场强度在一段时间内发生变化，那么锆石形成的纬度也必须发生变化。

但塔杜诺和他的团队发现了相反的情况：他们从南非研究的锆石表明，从大约3.9亿年前到34亿年前，磁场强度没有变化，这意味着纬度也没有变化。

塔尔杜诺说，由于板块构造涉及不同陆地的纬度变化，“这段时间很可能没有发生板块构造运动，并且一定有其他方法可以从地球上带走热量。”

为了强化他们的发现，研究人员在西澳大利亚研究的锆石中发现了相同的图案。

塔尔杜诺说：“我们并不是说这些锆石是在同一块大陆上形成的，但它们似乎是在同一个不变的纬度上形成的，这强化了我们的论点，即此时不存在板块构造。”

停滞盖构造：板块构造的替代方案

地球是一个热机，板块构造最终是地球热量的释放。 但地幔构造停滞——导致地球表面出现裂缝——是另一种让热量从地球内部逸出、形成大陆和其他地质特征的方式。

板块构造涉及地球表面大板块之间的水平运动和相互作用。 塔尔杜诺和他的同事报告说，平均而言，过去 6 亿年的板块在纬度上移动了至少 8,500 公里（5,280 英里）。 相比之下，停滞地幔构造描述了地球最外层如何表现为停滞地幔，没有活跃的水平板块运动。 相反，当行星内部冷却时，外层保持在原位。 大量熔融物质在地球内部深处上升，可能会导致外层破裂。 停滞的地幔构造运动在释放地幔热量方面不如板块运动有效，但仍然导致了大陆的形成。

“早期的地球并不是一个表面上一切都死了的星球，”塔杜诺说。 地球表面的事情仍在发生； 我们的研究表明它们并不是通过板块构造发生的。 我们至少拥有足够的由停滞盖层过程提供的地球化学循环，以产生适合生命起源的条件。”

保护宜居星球

虽然地球是唯一已知经历板块构造的行星，但其他行星，例如[{” attribute=””>Venus, experience stagnant lid tectonics, Tarduno says.

“People have tended to think that stagnant lid tectonics would not build a habitable planet because of what is happening on Venus,” he says. “Venus is not a very nice place to live: it has a crushing carbon dioxide atmosphere and sulfuric acid clouds. This is because heat is not being removed effectively from the planet’s surface.”

Without plate tectonics, Earth may have met a similar fate. While the researchers hint that plate tectonics may have started on Earth soon after 3.4 billion years, the geology community is divided on a specific date.

“We think plate tectonics, in the long run, is important for removing heat, generating the magnetic field, and keeping things habitable on our planet,” Tarduno says. “But, in the beginning, and a billion years after, our data indicates that we didn’t need plate tectonics.”

Reference: “Hadaean to Palaeoarchaean stagnant-lid tectonics revealed by zircon magnetism” by John A. Tarduno, Rory D. Cottrell, Richard K. Bono, Nicole Rayner, William J. Davis, Tinghong Zhou, Francis Nimmo, Axel Hofmann, Jaganmoy Jodder, Mauricio Ibañez-Mejia, Michael K. Watkeys, Hirokuni Oda and Gautam Mitra, 14 June 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06024-5

The team included researchers from four US institutions and institutions in Canada, Japan, South Africa, and the United Kingdom. The research was funded by the US National Science Foundation.